基于EEUC的改進研究

章康馳

摘要： 基于對無線傳感器網絡典型層次型路由協議LEACH協議與高效的非均勻分簇協議EEUC協議的研究，針對EEUC算法中簇頭選舉機制沒有考慮節點的剩余能量因素以及簇頭競爭半徑只考慮節點與匯聚節點距離的問題，提出改進的基于最小生成樹的層次型節能路由算法，首先優化候選簇頭的競爭半徑，然后在節點數據傳輸的階段，采用Kruskal算法構建最小生成樹路由，得到最佳的數據傳輸方式，保證穩定性傳輸數據的同時選擇能耗較低的鏈路。通過實驗仿真的結果可以得出本算法能夠有效的提升網絡的性能并延長網絡生存時間，緩解無線傳感網中“熱節點”問題。

關鍵詞： 無線傳感器網絡；剩余能量；最小生成樹；存活時間

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）04-0032-03

無線傳感器網絡是一種集信息采集、數據處理與傳輸功能于一體的網絡信息系統。涵蓋微電子系統、網絡通信與嵌入式計算等多方面技術，是實現物聯網的重要基礎，也是當下國際上備受關注的、多學科交叉的一個熱點研究方向。傳感器網絡中節點往往體積小，自身攜帶的能量有限，所以在設計路由協議時，降低節點能耗，延長網絡的生存時間是當前無線傳感器網絡的主要研究方向之一。

無線傳感器網絡的路由協議根據網絡的邏輯結構可以分為平面型路由協議和層次型路由協議。所有的平面型路由協議里全網中所有節點地位相等，都需要儲存其他節點的路由信息，需要維護龐大的路由表，導致網絡可擴展性較差，控制開銷隨網絡規模指數增長，出現節點處理能力弱、網絡經常出現中斷等狀況，所以平面型路由只適用于小型網絡。而層次型路由協議通過分簇的方式對節點進行分層處理，在一定程度上解決了這些問題。本文對層次型路由協議中兩種典型的路由協議：LEACH協議與EEUC協議進行分析，針對其不足，基于EEUC協議提出改進方案。

1 LEACH協議

LEACH協議[1]是首個對無線傳感器網絡提出分簇的路由協議。它設計的主要目的是盡量均衡全網節點的能耗，從宏觀上節省能量，延長網絡生命周期。LEACH協議主要實現方式是以周期循環的方式隨機選擇簇頭節點，而節點在擔任簇頭的時間里負責傳遞簇內的數據給匯聚節點，這樣從整體上將數據傳輸導致的能量消耗平均分配給每個節點。LEACH協議在啟發性地提出了“輪”的思想，每一輪為一個周期，每個周期可以分成兩個階段：簇的建立階段和傳輸數據階段。在簇的建立階段，依據網絡中所需要的簇頭節點總數和每個節點已成為簇頭節點的次數來決定，再依據隨機數選擇節點成為簇頭，節點成為簇首之后，與其最近的一些普通節點動態的連接，從而形成簇。在數據傳輸階段，主要是傳感器節點把采集到的數據向簇頭傳輸，以及簇頭把接收到的數據融合后再傳送給基站。

LEACH路由協議的優點是能保證所有節點都有機會成為簇頭，從網絡整體來說，節點消耗的能量得到均衡，起到了節能的效果。缺點是網絡對簇頭的選舉是依據隨機生成數大小決定，導致位置差，前期耗能大的節點也可以成為簇首，加快這類節點的死亡速度。同時由于簇首與匯聚點之間是采用單跳的傳輸方式，使簇首的能量消耗過快導致節點死亡。同時由于簇首離匯聚點距離的不同，在傳遞等量數據時，節點消耗能耐不均等，使得離匯聚點遠的節點死亡過快。所以LEACH協議一般只適用于小型網絡。

2 EEUC協議

EEUC協議[2]是無線傳感網中一種典型的基于非均勻分簇思想的層次型絡路由協議，與LEACH協議簇首與匯聚點之間采用單跳傳輸方式相比，EEUC協議采用多跳的方式防止離匯聚點遠的簇首過早死亡，均衡了網絡中簇首能耗，延長了網絡生命周期。EEUC協議整體上沿用了LEACH協議的工作流程，也是將網絡工作過程劃分為輪，每輪分為建簇和傳輸兩個階段組成，其中建簇階段包括簇首的選舉和簇的形成兩個階段。不同的是EEUC協議在簇首選舉時采用二次選舉的方式推選最終簇首。首先在網絡中通過隨機數產生候選簇首，再根據候選簇首剩余能量產生最終簇首，完成簇首在網絡中均勻分布以及均衡節點能耗的工作。

EEUC算法采用非均勻分簇的思想，根據節點與匯聚節點之間的距離，縮小靠近匯聚節點的成簇規模，使得簇內節點傳輸時能耗降低，節點可以將更多能量用于簇間傳遞數據。提升網絡性能并夠緩解“熱節點”現象。但EEUC算法還是仍有一些不足：首先在簇首的選舉階段，推舉候選簇頭節點僅依據隨機生成數大小決定，對于剩余能量少的節點任然存在被選為候選簇頭的可能。然后決定候選節點的競爭半徑的參考因素只有節點與匯聚節點之間的距離，沒有考慮剩余能量低的節點。另外在數據傳輸階段，選擇可能成為下一跳的簇頭時，不考慮數據傳輸可靠性，導致丟包、重發，進而造成網絡能耗不均衡。

3 基于最小生成樹改進算法設計

針對EEUC算法存在的問題，EEUC協議基礎上的改進，因此本部分從優化節點競爭半徑和最小生成樹的建立兩個方面對改進部分進行詳細描述。

3.1 節點競爭半徑

本文針對EEUC算法中的節點競爭半徑的不足之處進行改進，將節點的剩余能量因素考慮在其中，使設定的候選節點競爭半徑更加合理。

（1）

上式中，為節點的競爭半徑；為網絡中距離匯聚節點最遠的節點到匯聚節點的距離；則為網絡中距離匯聚節點最近節點到匯聚節點的距離；為節點到匯聚節點的距離；為節點最大競選的半徑；為調節因子的參數；為第輪時的平均剩余能量；為節點在第輪時的剩余能量。

3.2 構造最小生成樹

與EEUC相同，在建簇階段結束后，簇間采用多跳的方式傳輸數據。本文采用Kruskal算法思想構造最小生成樹。為了使簇間節點在傳遞數據時的能量消耗更加均衡，本文將發送節點和接收節點兩者相距的距離、兩者的剰余能量和接收節點到匯聚節點兩者間的距離三個參考因素作為權值的參數帶入計算。公式如下。

（2）

其中，為本文設立的簇頭與簇頭相連的權值；為簇頭到簇頭之間的距離；為簇頭到匯聚節點的距離；為簇頭到匯聚節點之間的距離；為簇頭的剩余能量，為簇頭的剩余能量；為節點傳輸數據所需要消耗的能量，具體的得出方式將在后文提出。

4 網絡仿真

4.1 仿真參數設置

本文通過Matlab對經典EEUC協議與本文提出的改進分簇協議T-EEUC進行模擬仿真。實驗中采用與文獻[3]中一致的無線通信能量消耗模型。設定發射距離閾值。發送節點與接收節點間距離小于時，采用自由空間傳播模型，發送節點與接收節點間距離大于等于時，采用多路徑模型。則當發送節點距離接收節點距離為時發送 bit的數據所消耗的能量為

（3）

（3）式中： 為表示射頻能耗系數； 和 為不同放大功率下所需要消耗的能量。是節點接收 bit數據所需要消耗的能量。實驗有關參數設置如下表1所示。

表1 實驗仿真相關參數表

[參數名稱 參數值 參數名稱 參數值 網絡覆蓋范圍 （200m，200m） 節點初始能量 1J 匯聚節點位置 （100m，100m） 射頻能耗系數 50nJ/bit 節點數量 400個 信道空閑模式系數 10pJ/bit/ 數據包大小 4000bits 多路徑模式系數 0.0013pJ/bit/ 控制包大小 400bits 簇頭節點融合能耗 5nJ/bit 距離閾值 ]

4.2 實驗與分析

本文提出的基于最小生成樹的層次型節能路由算法T-EEUC與EEUC算法在相同的網絡配置環境下的仿真得出剩余能量的比較結果如圖2所示。

圖2 剩余能量比較

從圖2可以得知，在網絡建立的起始階段執行T-EEUC的網絡能量消耗與執行EEUC的網絡基本相同，從20輪開始，兩種網絡的節點的剩余能量開始出現差異，執行T-EEUC的網絡能量消耗低于執行EEUC的網絡。在運行到500輪左右執行EEUC的網絡所有節點的能量消耗完畢，網絡失效。執行T-EEUC的網絡的節點剩余能量基本在700輪才被消耗完畢。說明本文提出的T-EEUC算法相比EEUC算法可以有效的降低了節點的能量消耗。

在無線傳感器網絡中，由于靠近匯聚節點容易出現“熱節點”，過快的消耗完自己的能量，導致網絡無法正常工作，縮短網絡壽命。因此，評價無線傳感網中網絡性能的一項重要的指標就是存活節點數。圖3對比了分別執行T-EEUC算法與EEUC算法的網絡存活節點數。可以明顯的看出，執行EEUC算法的網絡在第220輪左右出現了第一個失效節點，在第300-400輪網絡中大部分節相繼失效，在第500輪左右執行EEUC算法的網絡節點全部死亡，網絡停止工作。而執行T-EEUC算法的網絡在第350輪左右出現了第一個失效節點。在第400-500輪網絡中大部分節相繼失效，在第700輪左右節點才全部死亡。所以與EEUC算法相比，使用T-EEUC算法的網絡壽命更長，可以更好的應指定場景的數據收集任務。

5 結束語

本文基于EEUC算法，在建簇階段加入節點剩余能量作為因素考量，提出了一種基于最小生成樹的改良層次型節能路由算法T-EEUC。在本文算法中，優化候選簇頭的競爭半徑，使簇頭的選取更加合理。在節點數據傳輸的階段，采用Kruskal算法構造最小生成樹，得到最佳的數據傳輸路徑，使數據傳輸時節點的能耗更合理。實驗結果表明，在相同的條件下T-EEUC算法在節點的能量消耗和網絡的生存時間兩個方面都優于EEUC算法。證明了T-EEUC可以對網絡性能和均衡整體網絡的能耗進行優化提升。

參考文獻：

[1] 鄭軍，張寶賢.無線傳感器網絡技術[M].北京：機械工業出版社，2012（2）：55-56.

[2] 李成法，陳貴海，葉懋等.一種基于非均勻分簇的無線傳感器網絡路由協議[J]. 計算機學報，2007（1）：27-36.

[3] Heinemann W B，Anantha P.Chandrakasan， Hari Balakrishnan. An Application Specific Protocol Architecture for Wireless Microsensor Networks. IEEE TRANSACTION ON WIRELESS COMMUNICATIONS 1，2002（4）.